O形橡胶密封圈封油结构研究.pdf

柴油机设计与制造 D e s i g n Ma n u f a c t u r e o f D i e s e l E n g i n e 2 0 0 4年第 4 期 总第 1 0 9期 O 形橡胶密封圈封油结构研究 任 红云 上海柴油机股份有限公司 2 0 0 4 3 8 Ab s t r a c t T h i s pa p e r d e s c rib e s t he h e r m e t i c a l me c h a n i s m a n d th e h e rm e ti c a l f o r ms o f O s h a p e r u b b e r s e al r i ng an d s h o ws the ke y p o i n t s o f the s t r u c t u r a l d e s i gn On the ba s e o f th e th e o r y th e e ffe c tiv e me as u r e s a r e pu t f o r ward t o the h e rm e t i c al s t r u c t ur e o n th e J 1 1 s e rie s o f th e t u r bo c h arg e r s an d as a r e s u l t d e c r e asing t h e p o s s i b i l i t y o f l e a k a g e o f the t u r b o c harg e r s S o i t i s a v e ry h e l p f ul t o e x pl o r e i m p r o ve me n t o f t he h e rm e t i c al s t r uc t ur e O n t he J 8 s e rie s o f t ur bo c harg e r s 摘要对 形橡胶密封圈的密封机理 密封形式进行 了介绍 并阐述 了其封油结构设计要 点 结合理论对 l 1 1系列涡轮增压器 形橡胶 密封 圈封油结构进行改进 减少了增压器润滑油 泄漏的可能性 同时 为 l 8系列涡轮增压器封油结构的改进作了有益的探 索 关键词 涡轮增压器泄漏密封O形橡胶密封圈 Ke y W o r d s Tu r b o c h a r g e r L e a k i n g Se a l i n g Or i n g 1前言 涡轮增压器压气机端漏油主要存在 2条路径 针对 J 1 l 系列涡轮增压器 一是润滑油通过轴封 环槽处泄漏 另一是通过 0形橡胶密封圈 以下 简称 0形圈 处泄漏 本文仅对 0形圈处封油结 构进行研究 经分析 0形圈密封结构发生漏油的 原因主要有以下几种可能 0形圈本身的机械物理 性能较差 设置 O形圈的槽体存在设计缺陷 O 形橡胶密封圈密封结构的外部工作环境超出设计允 许范围 即处于非正常工作状态 本文在确定 0形圈的物理机械性能满足设计 要求的基础上 对 0形圈封油结构进行研究 2概况 2 1密封 防止工作介质从机器和设备中泄漏或防止外界 杂质侵入机器和设备内部的一种装置或措施称为密 封 密封的工作介质可以是气体 液体或粉状 固体 密封性能是评价机械产品质量的一个重要指标 密封的功能是防止泄漏 造成泄漏的原因主要 有两方面 一是密封面上有问隙 二是密封两侧有 压力差 消除或减小任一因素都可以阻止或减小泄 漏 而减小或消除问隙是防止泄漏的主要途径 2 2 密封分类 r 接触式密封 密封 f问隙密封 L 非接触式密封 L 迷宫密封 接触式密封是用各种形式的密封件进行密封的 方式 其密封件按工作状态不同分为静密封件和动 密封件 0形圈即为静密封件中的一种 0形橡胶 密封圈 由于结构简单紧凑 密封可靠又有 自封作 用 可用于从真空到高压的静态密封 也用于动态 密封 因而被大量使用 用于静态密封的 O形圈 其密封状态有 2种 一 种是在非工作状态仅受径向压缩 另一种是在非 工作状态下 径向和轴向都受压缩 其径向压缩量 控制在 4 5 在径向密封型式中 根据 0形圈 沟槽型式不同分为 活塞密封沟槽 活塞杆密封沟 槽 带挡圈的沟槽 在轴向密封形式中 沟槽分为 2 种 即内部受压力的沟槽和外部受压力的沟槽 经分析 J l l系列涡轮增压器 0形圈的密封形 式属活塞密封沟槽式径向压缩的接触式静态密封 一 2 1 维普资讯 3 O形密封圈及其沟槽结构设计 O形密封圈是用耐热 耐油橡胶制成的断面为 圆形的实心圆环 将其装在泄漏通道上的密封沟槽 内 阻止流体泄漏 3 1 o形圈直径选取 根据所需工作直径 在标准 中近似决定 内径 D 截面直径 d及公差 3 2 压缩率的选取 在静态密封时 当 O形圈装入密封沟槽后 其径向压缩率一般为 1 0 3 0 在无流体压力时 O形圈的反弹力 即对接触面产生接触压力 P 当 具有压力P的流体流入密封腔后 O形圈被挤向沟 槽一侧 消除密封间隙6 此时接触面的压力 P p 叩 因而提高了密封效果 这种借工作介质压力 提高密封效果的作用称为 自封作用 显然 只 要 0形圈能对接触面产生大于流体压力 的初始接 触压力 就能实现密封 密封面的接触压力随 O 形圈断面直径增大而增大 初始接触压力随压缩率 的增大而增大 但压缩率过大 易使 0形圈产生 永久变形 这在高温下尤为显著 会使 O形圈部 分胶料挤人间隙 即 胶料挤出 现象 造成 O 形圈损坏 但也不应选取过小的压缩率 否则 会 因安装部位的偏心 压缩量部分消失而发生漏油 由于橡胶在拉伸状态下容易老化 所 以 O形圈装 入密封沟槽后的拉伸率以 1 一 5 为好 3 3 沟槽结构设计 密封沟槽的尺寸和形状是影响 O形圈密封性 和寿命的重要因素 沟槽形状有矩形 燕尾形 V 形 半圆形 三角形等 在内燃机中 矩形沟槽用 得最多 它的宽度和深度必须保证在有关尺寸的偏 差处于极限情况下 仍能使 O形圈具有必要的压 缩率 按体积计算时 通常要求矩形沟槽的体积比 0形圈的体积大 1 5 左右 我国国标 G B 1 2 3 5 7 6 对 O形圈及密封沟槽结构尺寸系列与尺寸公差有 明确规定 1 O形圈使用的沟槽宽度是由 O形圈断面 直径和使用条件而定 一般不加挡圈的沟槽宽度为 0形圈直径的 1 3 1 5倍 固定用的 O形圈因压缩 量较大 固定沟槽宽度应取偏大值 往复运动可取 偏小值 旋转轴用沟槽应取 O形圈断 面直径 的 1 0 5 1 1 倍 2 O形 圈使用 的沟槽深度取决于 O形 圈所 要求的压缩率 在一些高压 高温或特殊工作环境中 或在一 一 2 2 一 些重要密封场合 为保证密封质量和实现 O形圈 的互换性 必须对密封圈的伸长量和压缩量进行校 核计算 1 密封圈直径断裂伸长率 D g D i n d x 1 0 0 式中D 广 增 底径 mm D i 形圈内径 mm 一 密封圈直径断裂伸长率 装配时 e 1 0 过渡装配会引起拉伸永久变 形 装配后 5 2 拉伸后断面收缩率 6 d d 1 d x 1 0 0 式 中 啦 伸后断面收缩率 自由状态下 O形圈断面直径 mm d 收缩变形后的断面直径 m m 3 装配后压缩率 E 一h g d x 1 0 0 式中 d 一自由状态密封圈断面直径 mm 厂 一装配后槽深 mm 卜装配后的压缩率 3 4设计注意点 1 为避免 O形 圈装配时被机械零件的棱边 切割 在 O形圈安装方向的零件接触表面应设计 成圆角或过渡锥面 2 O形圈必须有一定硬度 在承受工作介质 压力时 不会被挤入孔与轴的径向间隙中去 3 O形圈的热膨胀系数是金属的 l 0倍 要 为密封圈提供高温下的膨胀空间 4 避免密封压差过大 使 O形圈被侧 向挤 压到径向间隙中 5 O形圈材质必须与密封介质相匹配 以避 免 O形圈材质与密封介质发生化学或物理反应引 起膨胀 或溶胀 或溶解 或交粘 导致硬度降 低 金属表面腐蚀 最终导致密封失效 6 O形圈的金属沟槽表面应有适合的粗糙 度 建议静密封 为 1 6 6 3 u m 对气压和真空 密封选择较小的表面粗糙度 4 J 1 1 系列增压器 O形圈封油结构现状分析 4 1槽体结构 槽宽 2 8 mm 通常取 2 8 3 0 5 mm 槽 深 2 2 2 3 1 8 m m 通 常 取 2 2 4 8 0 0 0 3 5一 钾 5 6 0 0 2 0 2 槽截面积 5 3 1 7 6 2 2 7 mi l l 2 4 2 O形圈 维普资讯 1 内径 d 税 6 2 0 1 0 i l t m 7 4 4 0 4 0 m E 截 面 直 径d 2 为 8 0 昕 m E 但 考 虑 产品 加 工 工 艺 性和 产 品 互 截面面积 4 9 8 5 5 8 0 8 I I l I n 2 经计算得 压缩率 E 8 1 9 2 厂方提供的 0形圈存在切边现象 3 0形圈截面直径大小有不均匀的现象 以上 3方面综合作用 导致了涡轮增压器 0 形圈封油结构在过去的一段时间内出现频繁漏油 因此 迫切要求对 0形圈封油结构进行改进 5改进方案 首先制定出针对涡轮增压器使用工况 的 0形 橡胶密封圈物理机械性能要求及其验收技术条件 然后 0形圈的槽体结构进行如下改进 1 槽深设计 0形圈在原设计要求范围内 径向密封压紧 其径 向压缩量为 8 1 9 对于活 塞密封沟槽的封油结构 该径向压缩量偏低 在原 设计中 槽较深为 2 2 mm 而且深度尺寸精度控 制较低 导致 0形圈径向压缩量偏小 因此 在结 构改进 中 减小槽的深度 改为 2 0 5 i l t m 并提高槽 深尺寸精度 即气封盖板中槽底径 4 r 5 6 0一 i l l m 应为 q 5 9 0 00 0 6 il tm 中 间 壳 尺 寸 8 0 嘶m ill 应 蓉 圣 0 霉 气封盖板改进前 气封盖板改进后 图 1 中间壳改进前 中间壳改进后 图 2 换性 在保证密封性的前提下 将 q 5 6 0 2 0m E 改 为 q 5 6 0 一 昕 iltm 如 图1 8 0 嘶 iltm保 持 不 变 如图 2 2 槽宽设计 0形圈在径向密封的前提下 槽宽应放大至少 3 O 以保证 0形圈径 向压缩时 其轴向有足够的扩展空间 在本封油结构中 0形 圈在径向压紧情况下 对槽宽尺寸进行改进设计 根据 O形圈截面尺寸及其封油结构形式 查阅相 关 设 计 手 册 槽 宽 应 改 为3 5 跖 m E 但由 于 受 气 封板及中间壳结构的限制 将槽宽从原来的 2 8 mE 改为 3 I T 1 m 见如图 1 3 槽底圆角设计 为了加大 0形圈径向压 缩后轴向扩展空间 根据 0形圈截面尺寸及封油 结构形式 查阅相关设计手册得 槽底径圆角半径 为 0 2 0 4 i l t m 本结构定为 R 0 2 mE 见图 1 4 0形圈安装相关结构设计 在套人 0形 圈方向的接触表面应设计成圆角或过渡锥面 所设 计的圆角或过渡锥面所形成的倒角长度最小为 1 5 mE 倾角范围在 1 5 2 0 之间 因此 对中间壳 结构进行相应地改进 如图 2 5 改进后 计算槽宽 槽深 槽宽 3 3 2 5 n u n 槽深 2 0 5 2 0 9 n u n 槽截面积 6 1 3 6 7 8 mm9 0形圈截面直径 6 2 0 1 i l l m 截面面 积 4 9 8 5 5 8 0 8 u n 1 2 为了保证密封质量 对改进后的0形圈伸长 率和压缩率进行校核 1 直径断裂伸长率 装 配后 D 一 D i D i x 1 0 O 7 5 9 7 4 4 7 4 4 x 1 0 O 2 O 5 装配时 l 8 o 一 7 4 4 7 4 4 x 1 0 O 7 5 l O 2 装配后压缩率 E d h d x 1 0 O 2 6 2 2 O 5 2 6 2 1 0 0 21 8 9 6 经计算证实 0形圈的伸长率和压缩率基本符 合其设计要求 6试验 6 1 试验装置 将气封板及 0形 圈装入改进后的中间壳 内 将 中间壳上除进油口外的其他各个出口通过螺塞将 一 2 3 维普资讯 表 1 O形圈应用中常见漏油现象 产生原因及改进意见 现象 产 生 原 因 改进意见 安装时损坏 安装时将壳体进口处应加工有 1 0 1 5 倒角 以保证 0形圈安装时不损坏 压缩量过小 适当增加压缩量 0 形圈失去弹性和磨损 提高胶料弹性和耐油 耐磨性 0 形 圈溶涨 提高缸套 活塞表面光洁度 泄漏 润滑不足 安装前涂润滑剂 0 形圈产生扭转 0 形圈断面应均匀 提高安装同心度 0 形圈被挤出 加挡圈 适当增加胶料硬度 减小密封沟槽间隙 0 形圈外观有缺欠 适 当提高外观质量 0 形圈拉伸量过大 减小拉伸量 0 形圈胶料性能不好 提高胶料的力学性能 早期损 坏 0 形圈压缩永久变形大 提高胶料抗压缩永久变形性能 适当减小压缩量 降低使用温度 选用 0形圈和沟槽尺寸不妥 设计和选择正确的沟槽尺寸 低温泄漏 O 形圈低温下失去弹性 提高 0形圈胶料低温性能 O 形圈压缩量大 适当减小压缩量 提高活塞杆及缸套加工光洁度 胶料摩擦因数大 胶料中加入适量润滑剂 减小摩擦因数 过度摩擦 0 形圈被挤出 加挡圈防止挤出或提高 0形圈耐油性 胶料耐油性差过度溶涨 提高胶料耐油性能 螺纹密封 图3 密封试验 其密封 6 2试验过程 1 在室温下 将压缩空气通过进油 口进入改 进后 的中间壳内腔中 如图 3 然后将整个装置 完全浸入放满水的容器内进行观察 当压缩空气达